ฐานหินแกรนิตสามารถช่วยลดความเครียดจากความร้อนสำหรับอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์เวเฟอร์ได้หรือไม่

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่แม่นยำและซับซ้อนอย่างการบรรจุเวเฟอร์ ความเครียดจากความร้อนเปรียบเสมือน "ผู้ทำลายล้าง" ที่ซ่อนตัวอยู่ในความมืด คอยคุกคามคุณภาพของบรรจุภัณฑ์และประสิทธิภาพของชิปอย่างต่อเนื่อง ตั้งแต่ความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนระหว่างชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์ ไปจนถึงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงในระหว่างกระบวนการบรรจุภัณฑ์ เส้นทางการเกิดความเครียดจากความร้อนมีหลากหลาย แต่ทั้งหมดล้วนชี้ไปสู่ผลลัพธ์ของการลดอัตราผลผลิตและส่งผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาวของชิป ฐานหินแกรนิต ด้วยคุณสมบัติของวัสดุที่เป็นเอกลักษณ์ กำลังกลายเป็น "ผู้ช่วย" ที่ทรงพลังในการจัดการกับปัญหาความเครียดจากความร้อนอย่างเงียบๆ
ปัญหาความเครียดจากความร้อนในบรรจุภัณฑ์เวเฟอร์
กระบวนการบรรจุเวเฟอร์เกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันของวัสดุหลายชนิด โดยทั่วไปชิปจะประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอน ในขณะที่วัสดุบรรจุภัณฑ์ เช่น พลาสติกและวัสดุรองรับนั้นมีคุณภาพแตกต่างกัน เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการบรรจุ วัสดุแต่ละชนิดจะมีการขยายตัวและหดตัวทางความร้อนแตกต่างกันอย่างมาก เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของชิปซิลิคอนอยู่ที่ประมาณ 2.6 × 10⁻⁶/℃ ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุขึ้นรูปอีพ็อกซีเรซินทั่วไปสูงถึง 15-20 × 10⁻⁶/℃ ความแตกต่างอย่างมากนี้ทำให้ระดับการหดตัวของชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์ไม่สอดคล้องกันในระหว่างขั้นตอนการระบายความร้อนหลังการบรรจุ ทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนสูงที่บริเวณรอยต่อระหว่างทั้งสอง ภายใต้ผลกระทบอย่างต่อเนื่องของความเครียดทางความร้อน เวเฟอร์อาจบิดเบี้ยวและเสียรูปได้ ในกรณีร้ายแรง อาจก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงถึงขั้นทำให้ชิปเสียหาย เช่น รอยแตกบนชิป รอยเชื่อมหัก และการแยกตัวของชั้นผิวสัมผัส ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของชิปลดลง และอายุการใช้งานสั้นลงอย่างมาก จากสถิติของอุตสาหกรรม อัตราความเสียหายของบรรจุภัณฑ์เวเฟอร์ที่เกิดจากปัญหาความเครียดจากความร้อนอาจสูงถึง 10% ถึง 15% ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพและคุณภาพสูง

ข้อดีที่โดดเด่นของฐานหินแกรนิต
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ: หินแกรนิตส่วนใหญ่ประกอบด้วยผลึกแร่ เช่น ควอตซ์และเฟลด์สปาร์ และมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 0.6 ถึง 5×10⁻⁶/℃ ซึ่งใกล้เคียงกับชิปซิลิคอน คุณลักษณะนี้ช่วยให้ในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์เวเฟอร์ แม้ว่าจะพบกับความผันผวนของอุณหภูมิ ความแตกต่างของการขยายตัวทางความร้อนระหว่างฐานหินแกรนิตกับชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์จะลดลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป 10℃ การเปลี่ยนแปลงขนาดของแท่นบรรจุภัณฑ์ที่สร้างบนฐานหินแกรนิตจะลดลงมากกว่า 80% เมื่อเทียบกับฐานโลหะแบบดั้งเดิม ซึ่งช่วยลดความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากการขยายตัวและการหดตัวที่ไม่สอดคล้องกัน และให้สภาพแวดล้อมการรองรับที่เสถียรยิ่งขึ้นสำหรับเวเฟอร์
ความเสถียรทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม: หินแกรนิตมีความเสถียรทางความร้อนที่โดดเด่น โครงสร้างภายในมีความหนาแน่น และผลึกยึดติดกันอย่างแน่นหนาด้วยพันธะไอออนิกและพันธะโควาเลนต์ ทำให้การนำความร้อนภายในเป็นไปอย่างช้าๆ เมื่ออุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ต้องเผชิญกับวงจรการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ซับซ้อน ฐานหินแกรนิตสามารถลดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพและรักษาอุณหภูมิให้คงที่ การทดลองที่เกี่ยวข้องแสดงให้เห็นว่า ภายใต้อัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิปกติของอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ (เช่น ±5℃ ต่อนาที) ความคลาดเคลื่อนของความสม่ำเสมอของอุณหภูมิพื้นผิวของฐานหินแกรนิตสามารถควบคุมได้ภายใน ±0.1℃ ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์การกระจุกตัวของความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิเฉพาะจุด ทำให้มั่นใจได้ว่าแผ่นเวเฟอร์อยู่ในสภาพแวดล้อมทางความร้อนที่สม่ำเสมอและคงที่ตลอดกระบวนการบรรจุภัณฑ์ และลดแหล่งที่มาของการเกิดความเครียดจากความร้อน
ความแข็งแกร่งสูงและการลดแรงสั่นสะเทือน: ในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์บรรจุเวเฟอร์ ชิ้นส่วนเคลื่อนที่ภายใน (เช่น มอเตอร์ อุปกรณ์ส่งกำลัง ฯลฯ) จะสร้างแรงสั่นสะเทือน หากแรงสั่นสะเทือนเหล่านี้ส่งผ่านไปยังเวเฟอร์ จะทำให้ความเสียหายที่เกิดจากความเครียดจากความร้อนรุนแรงขึ้น ฐานหินแกรนิตมีความแข็งแกร่งและความแข็งสูงกว่าวัสดุโลหะหลายชนิด ซึ่งสามารถต้านทานการรบกวนจากแรงสั่นสะเทือนภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน โครงสร้างภายในที่เป็นเอกลักษณ์ทำให้มีประสิทธิภาพในการลดแรงสั่นสะเทือนที่ยอดเยี่ยมและช่วยกระจายพลังงานจากการสั่นสะเทือนได้อย่างรวดเร็ว ข้อมูลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าฐานหินแกรนิตสามารถลดแรงสั่นสะเทือนความถี่สูง (100-1000 เฮิรตซ์) ที่เกิดจากการทำงานของอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ได้ 60% ถึง 80% ช่วยลดผลกระทบจากการรวมกันของแรงสั่นสะเทือนและความเครียดจากความร้อนได้อย่างมีนัยสำคัญ และช่วยให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำและความน่าเชื่อถือสูงของการบรรจุเวเฟอร์
ผลของการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ
ในสายการผลิตบรรจุภัณฑ์เวเฟอร์ของบริษัทผลิตเซมิคอนดักเตอร์ชื่อดังแห่งหนึ่ง หลังจากนำอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ที่มีฐานหินแกรนิตมาใช้ ก็ได้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง จากการวิเคราะห์ข้อมูลการตรวจสอบเวเฟอร์ 10,000 ชิ้นหลังการบรรจุ พบว่าก่อนใช้ฐานหินแกรนิต อัตราความเสียหายจากการบิดงอของเวเฟอร์เนื่องจากความเครียดจากความร้อนอยู่ที่ 12% แต่หลังจากเปลี่ยนมาใช้ฐานหินแกรนิต อัตราความเสียหายลดลงอย่างมากเหลือเพียง 3% และอัตราผลผลิตก็ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด นอกจากนี้ การทดสอบความน่าเชื่อถือในระยะยาวแสดงให้เห็นว่า หลังจาก 1,000 รอบของอุณหภูมิสูง (125℃) และอุณหภูมิต่ำ (-55℃) จำนวนความล้มเหลวของข้อต่อบัดกรีของชิปที่บรรจุบนฐานหินแกรนิตลดลง 70% เมื่อเทียบกับบรรจุภัณฑ์ฐานแบบดั้งเดิม และความเสถียรของประสิทธิภาพของชิปก็ดีขึ้นอย่างมาก

เนื่องจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ยังคงพัฒนาไปสู่ความแม่นยำสูงขึ้นและขนาดที่เล็ลงเรื่อยๆ ข้อกำหนดสำหรับการควบคุมความเครียดจากความร้อนในบรรจุภัณฑ์เวเฟอร์จึงเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ ฐานหินแกรนิต ด้วยข้อดีที่ครอบคลุมในด้านค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ เสถียรภาพทางความร้อน และการลดการสั่นสะเทือน จึงกลายเป็นตัวเลือกสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพของบรรจุภัณฑ์เวเฟอร์และลดผลกระทบจากความเครียดจากความร้อน และมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการรับประกันการพัฒนาอย่างยั่งยืนของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์